Beschreibung der Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis einer Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Im Vergleich zu anderen Energieumwandlungssystemen weisen Brennstoffzellen die höchsten elektrischen Wirkungsgrade auf und es laufen derzeit weltweit intensive Aktivitäten die Entwicklung, Optimierung und Integration dieser Systeme voranzutreiben. Im Gegensatz zu vielen anderen konventionellen Systemen zur Stromerzeugung konvertieren Brennstoffzellen direkt die chemische Energie eines gasförmigen Brennstoffs in elektrische Energie, wodurch die Energie- und Exergieverluste erheblich reduziert werden können.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) haben einige Vorteile im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen. Sie weisen aufgrund der hohen Betriebstemperaturen einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Exergieeffizienz auf. Weiters können eine Vielzahl von Brennstoffen in einer SOFC genutzt werden, nämlich Wasserstoff, Erdgas, Produktgas aus Biomassevergasern, Biogas und Ammoniak, was die Kosten für zusätzliche Brennstoffaufbereitungssysteme deutlich reduzieren kann. SOFCs haben ein breites Anwendungsspektrum und sind eine attraktive Option für die dezentrale Energieproduktion. Das Arbeitsprinzip von SOFCs basiert, wie bei jeder anderen Brennstoffzelle, auf Ionenaustausch von einer Elektrode zur anderen, wodurch direkt elektrische Energie erzeugt wird. Da SOFCs auf der Nutzung eines Festelektrolyt-Materials basieren, benötigen sie für den Betrieb hohe Temperaturen. Der Temperaturbereich für den Betrieb einer SOFC liegt normalerweise im Bereich von 600 bis 1000 °C.

Arbeitsprinzip einer Solid Oxide Fuel Cell

Die Hauptteile einer SOFC (wie bei jeder anderen Brennstoffzelle) sind Anode, Kathode, Elektrolyt, Abdichtung, Zwischenverbindungen, Stromabnehmer, Separatorplatten, Einlässe und Auslässe. Der Arbeitsmechanismus der SOFC ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Während des Betriebes einer SOFC wird der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt (Luft oder reiner Sauerstoff). Dabei werden an der Kathode mit einem Katalysator Sauerstoffionen erzeugt. Kathoden müssen daher eine chemische Stabilität in oxidierender Umgebung aufweisen, elektrisch leitfähig und katalytisch aktiv für die Bildung von Sauerstoffionen sein. Die Sauerstoffionen bewegen sich dann durch einen Festelektrolyten, der Leerstellen in seiner kristallinen Struktur aufweist, durch die die Sauerstoffionen wandern können. Der Elektrolyt muss elektrisch isolierend sein und den Austausch von Gasen (Brennstoff und Sauerstoff) verhindern.

An der Anode oxidieren die Sauerstoffionen den eingesetzten Brennstoff. Nickel (𝑁𝑖) ist ein üblicherweise verwendetes Anodenmaterial für SOFCs aufgrund seiner ausgezeichneten katalytischen Aktivität bezüglich Oxidation und seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit. Weiters ist Ni relativ billig. Üblicherweise wird 𝑁𝑖 in einer keramische Elektrolytstruktur dispergiert, wodurch sich die Reaktionsgeschwindigkeiten und die Zelleffizienz erhöhen.

Einbindung von SOFC Systemen in eine Biomasse-KWK-Anlage

Da die SOFC einen gasförmigen Brennstoff benötigt, muss die Biomasse zunächst vergast werden. Dabei können unterschiedliche Vergasungstechniken (z.B. Festbett-Gegenstrom- oder Gleichstromvergaser) eingesetzt werden. Dem Vergaser wird dann eine Gasreinigungsanlage nachgeschaltet, um S, Cl und Partikel zu entfernen. SOFCs können auch mit Gasen arbeiten, die eine gewisse Menge an Teeren enthalten. Allerdings muss üblicherweise eine Teerreformierungsstufe (katalytischer Teerreformer) der SOFC vorgeschaltet werden, um die Teerkonzentrationen gering zu halten.

BIOS entwickelt derzeit in Zusammenarbeit mit verschiedenen europäischen Partnern im Rahmen von EU Horizon 2020 F&E-Projekten KWK-Technologien, die auf einem solchen Ansatz basieren (siehe www.hieff-biopower.eu, www.flexifuelsofc.eu). Dadurch sollen neue hocheffiziente Biomasse-KWK-Technologien entwickelt werden, die aus einem Brennstoff-flexiblen Festbett-Gegenstromvergaser, einem kompakten Gasreinigungssystem und einer SOFC bestehen. Abbildung 2 zeigt das Grundprinzip dieser Technologie. Die neue Technik zeichnet sich durch ein breites Anwendungsspektrum für verschiedene Biomasse-Brennstoffe aus (Holzpellets, Hackschnitzel, Kurzumtriebshölzer und verschiedene landwirtschaftliche Brennstoffe wie z.B. Olivenkerne), weist hohe elektrische Wirkungsgrade (über 40%) und Gesamtwirkungsgrade (90%) sowie praktisch keine gas- und partikelförmigen Emissionen auf.

Das System besteht aus einer Brennstoff-flexiblen Gegenstromvergasertechnologie, die sehr geringe Partikel- und Alkalimetall-Gehalte im Produktgas aufweist, was den Aufwand für die Gasreinigung reduziert, einem integrierten Hochtemperatur-Gasreinigungssystem und einem SOFC-System, das mit einem gewissen Anteil an Teeren im Produktgas betrieben werden kann. Die Gasreinigungsanlage besteht aus einem Partikelfilter, einer S- und Cl-Absorptionsstufe und einer Stufe zur Teerreformierung. Der Gasreinigungsanlage ist dann das SOFC- Stackmodul nachgeschaltet, in dem der Strom produziert wird. Die Abgase aus dem SOFC-Stackmodul werden dann in einem katalytischen Brenner vollständig oxidiert, wobei mit dem Abgas aus dem Brenner die Kathodenluft in einem Wärmetauscher vorgewärmt wird. Die Restwärme im Abgas wird nachfolgend in einem Heißwasserwärmetauscher zur Produktion von Raum- oder Prozesswärme genutzt.

Die neue SOFC-Technologie soll neue Maßstäbe bezüglich elektrischen Wirkungsgraden und Zero-Emission-Technologie für dezentrale Biomasse-KWK-Anlagen im kleinen bis mittleren Leistungsbereich definieren und auch Brennstoff-flexibel einsetzbar sein.

• Ein erster Meilenstein hinsichtlich der Entwicklung und Umsetzung einer derartigen Technologie auf Basis von Biomassevergasung, Gasreinigung und Gasnutzung in einem SOFC System konnte mit dem EU-geförderten Projekt FlexiFuel-SOFC gesetzt werden. Mit einer, im Technikum von BIOS installierten, Versuchsanlage (6 kW_el; siehe Abbildung 3) konnte ein stabiler Anlagenbetrieb über in Summe mehr als 250 Stunden erreicht werden. Dabei wurden eine maximale elektrische Leistung von 6,2 kW und ein elektrischer Wirkungsgrad von 42,5% (bezogen auf den Heizwert des in das SOFC-System eintretende Produktgases) erzielt. CO-Emissionen von <1 ppm und NO_x-Emissionen von <7 ppm sowie Staubemissionen unter der Nachweisgrenze (gemessen nach der katalytischen Nachverbrennung des aus dem SOFC-Stackmodul austretenden Abgases) unterstreichen, dass mit dieser Technologie auch ein Betrieb bei nahezu Null-Emissionen möglich wird.